Wie unterscheidet man Alkane? Strukturisomerie von Alkanen. Was sind Isomere?

Alkane oder aliphatische gesättigte Kohlenwasserstoffe sind Verbindungen mit einer offenen (nichtzyklischen) Kette, in deren Molekülen die Kohlenstoffatome durch eine σ-Bindung miteinander verbunden sind. Das Kohlenstoffatom in Alkanen befindet sich im Zustand der sp3-Hybridisierung.

Alkane bilden eine homologe Reihe, in der sich jedes Mitglied durch eine konstante Struktureinheit -CH 2 - unterscheidet, die als homologischer Unterschied bezeichnet wird. Der einfachste Vertreter ist Methan CH4.

• Allgemeine Formel von Alkanen: C n H 2n+2

Isomerie Ausgehend von Butan C 4 H 10 zeichnen sich Alkane durch Strukturisomerie aus. Die Zahl der Strukturisomere steigt mit der Zahl der Kohlenstoffatome im Alkanmolekül. So sind für Pentan C 5 H 12 drei Isomere bekannt, für Octan C 8 H 18 - 18, für Decan C 10 H 22 - 75.

Bei Alkanen gibt es neben der Strukturisomerie auch die Konformationsisomerie und, beginnend mit Heptan, die Enantiomerie:

IUPAC-Nomenklatur Präfixe werden in den Namen von Alkanen verwendet N-, zweite-, iso, tert-, Neo:

• N- bedeutet normale (nicht korrodierte) Struktur der Kohlenwasserstoffkette;
• zweite- gilt nur für recyceltes Butyl;
• tert- bedeutet Alkyl mit Tertiärstruktur;
• iso Zweige am Ende der Kette;
• Neo wird für Alkyl mit einem quartären Kohlenstoffatom verwendet.

Präfixe iso Und Neo werden zusammen geschrieben, und N-, zweite-, tert- getrennt

Die Nomenklatur verzweigter Alkane basiert auf folgenden Grundregeln:

• Um einen Namen zu konstruieren, wird eine lange Kette von Kohlenstoffatomen ausgewählt und mit arabischen Ziffern (Lokanten) nummeriert, beginnend mit dem Ende, das näher an dem Substituenten liegt, zum Beispiel:

• Kommt die gleiche Alkylgruppe mehrfach vor, werden ihr im Namen multiplizierende Präfixe vorangestellt di-(vor einem Vokal di-), drei-, Tetra- usw. und bezeichnen jedes Alkyl einzeln mit einer Zahl, zum Beispiel:

Es ist zu beachten, dass für komplexe Reste (Gruppen) die Multiplikation von Präfixen wie z bis-, tris-, Tetrakis- andere.

• Wenn verschiedene Alkylsubstituenten in den Seitenzweigen der Hauptkette platziert sind, werden diese alphabetisch (mit multiplizierenden Präfixen) neu angeordnet di-, Tetra- usw. sowie Präfixe N-, zweite-, tert- werden nicht berücksichtigt), zum Beispiel:

• Wenn zwei oder mehr Optionen für die längste Kette möglich sind, wählen Sie diejenige mit der maximalen Anzahl an Seitenzweigen.
• Die Namen komplexer Alkylgruppen sind nach den gleichen Prinzipien aufgebaut wie die Namen von Alkanen, die Nummerierung der Alkylkette ist jedoch immer autonom und beginnt mit dem Kohlenstoffatom mit freier Valenz, zum Beispiel:

• Bei Verwendung im Namen einer solchen Gruppe wird er in Klammern gesetzt und der erste Buchstabe des Namens der gesamten Gruppe wird in alphabetischer Reihenfolge berücksichtigt:

Industrielle Extraktionsmethoden 1. Extraktion von Alkangas. Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan und geringen Beimengungen von Ethan, Propan und Butan. Unter Druck stehendes Gas bei niedrigen Temperaturen wird in entsprechende Fraktionen aufgeteilt.

2. Extraktion von Alkanen aus Öl. Rohöl wird gereinigt und verarbeitet (Destillation, Fraktionierung, Cracken). Aus verarbeiteten Produkten werden Mischungen oder Einzelverbindungen gewonnen.

3. Hydrierung von Kohle (Methode von F. Bergius, 1925). Stein- oder Braunkohle wird in Autoklaven bei 30 MPa in Gegenwart von Katalysatoren (Oxide und Sulfide von Fe, Mo, W, Ni) in einer Kohlenwasserstoffumgebung hydriert und in Alkane, den sogenannten Treibstoff, umgewandelt:

nC + (n+1)H 2 = C n H 2n+2

4. Oxosynthese von Alkanen (Methode von F. Fischer - G. Tropsch, 1922). Mit der Fischer-Tropsch-Methode werden Alkane aus Synthesegas gewonnen. Synthesegas ist eine Mischung aus CO und H 2 mit unterschiedlichen Verhältnissen. Es wird aus Methan durch eine der Reaktionen gewonnen, die bei 800–900 °C in Gegenwart von Nickeloxid NiO auf Al 2 O 3 ablaufen:

CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2

CH 4 + CO 2 ⇄ 2CO + 2H 2

2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

Durch die Reaktion werden Alkane erhalten (Temperatur ca. 300°C, Fe-Co-Katalysator):

nCO + (2n+1)H 2 → C n H 2n+2 + nH 2 O

Das resultierende Kohlenwasserstoffgemisch, das hauptsächlich aus Alkanen der Struktur (n = 12-18) besteht, wird „Syntin“ genannt.

5. Trockendestillation. Alkane werden in relativ geringen Mengen durch Trockendestillation oder Erhitzen von Kohle, Schiefer, Holz und Torf ohne Luftzugang gewonnen. Die ungefähre Zusammensetzung der resultierenden Mischung beträgt 60 % Wasserstoff, 25 % Methan und 3–5 % Ethylen.

Extraktionsmethoden im Labor 1. Herstellung aus Haloalkylen

1.1. Reaktion mit metallischem Natrium (Wurz, 1855). Die Reaktion besteht aus der Wechselwirkung eines Alkalimetalls mit einem Haloalkyl und wird zur Synthese höher symmetrischer Alkane verwendet:

2CH 3 -I + 2Na ⇄ CH 3 -CH 3 + 2NaI

Wenn zwei verschiedene Haloalkyle an der Reaktion beteiligt sind, entsteht ein Alkangemisch:

3CH 3 -I + 3CH 3 CH 2 -I + 6Na → CH 3 -CH 3 + CH 3 CH 2 CH 3 + CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 + 6NaI

1.2 Wechselwirkung mit Lithiumdialkylcupraten. Die Methode (manchmal auch E. Core-H. House-Reaktion genannt) beinhaltet die Wechselwirkung reaktiver Lithiumdialkylcuprate R 2 CuLi mit Haloalkylen. Zunächst reagiert Lithiummetall mit einem Halogenalkan in einer Etherumgebung. Anschließend reagiert das entsprechende Alkyllithium mit Kupfer(I)halogenid zu einem löslichen Lithiumdialkylcuprat:

CH 3 Cl + 2Li → CH 3 Li + LiCl

2CH 3 Li + CuI → (CH 3 ) 2 CuLi + LiI

Wenn ein solches Lithiumdialkylcuprat mit dem entsprechenden Haloalkyl reagiert, entsteht die Endverbindung:

(CH 3 ) 2 CuLi + 2CH 3 (CH 2 ) 6 CH 2 -I → 2CH 3 (CH 2 ) 6 CH 2 -CH 3 + LiI + CuI

Das Verfahren ermöglicht es, beim Einsatz primärer Haloalkyle eine Ausbeute an Alkanen von nahezu 100 % zu erreichen. Mit ihrer Sekundär- oder Tertiärstruktur beträgt die Ausbeute 30-55 %. Die Art der Alkylkomponente in Lithiumdialkylcuprat hat kaum Einfluss auf die Ausbeute des Alkans.

1.3 Reduktion von Haloalkylen. Es ist möglich, Haloalkyle mit katalytisch angeregtem molekularem Wasserstoff, atomarem Wasserstoff, Jod usw. zu reduzieren:

CH 3 I + H 2 → CH 4 + HI (Pd-Katalysator)

CH 3 CH 2 I + 2H → CH 3 CH 3 + HI

CH 3 I + HI → CH 4 + I 2

Die Methode hat keinen präparativen Wert; häufig wird ein starkes Reduktionsmittel, Jodwasser, verwendet.

2. Herstellung aus Salzen von Carbonsäuren.
2.1 Elektrolyse von Salzen (Kolbe, 1849). Bei der Kolbe-Reaktion handelt es sich um die Elektrolyse wässriger Lösungen von Carbonsäuresalzen:

R-COONa ⇄ R-COO - + Na +

An der Anode wird das Carbonsäureanion unter Bildung eines freien Radikals oxidiert und kann leicht decarboxyliert oder durch CO 2 eliminiert werden. Alkylradikale werden durch Rekombination weiter in Alkane umgewandelt:

R-COO - → R-COO . + e -

R-COO. →R. +CO2

R. +R. → R-R

Die präparative Methode von Kolbe gilt als wirksam in Gegenwart der entsprechenden Carbonsäuren und der Unmöglichkeit, andere Synthesemethoden anzuwenden.

2.2 Fusion von Salzen von Carbonsäuren mit Alkali. Alkalimetallsalze von Carbonsäuren bilden in Verbindung mit Alkali Alkane:

CH 3 CH 2 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 3 CH 3

3. Reduzierung sauerstoffhaltiger Verbindungen(Alkohole, Ketone, Carbonsäuren) . Bei den Reduktionsmitteln handelt es sich um die oben genannten Verbindungen. Am häufigsten wird Jodwasser verwendet, das sogar Ketone reduzieren kann: Die ersten vier Vertreter der Alkane von Methan bis Butan (C 1 -C 4) sind Gase, von Pentan bis Pentadecan (C 5 -C 15 - Flüssigkeiten, von Hexadecan (C 16) – Feststoffe Eine Erhöhung ihrer Molekulargewichte führt zu einem Anstieg der Siede- und Schmelzpunkte, wobei verzweigtkettige Alkane bei einer niedrigeren Temperatur sieden als Alkane mit normaler Struktur. Dies wird durch die geringere Van-der-Waals-Wechselwirkung zwischen ihnen erklärt die Moleküle verzweigter Kohlenwasserstoffe im flüssigen Zustand. Der Schmelzpunkt der geraden Homologen ist höher als die Temperatur der ungeraden.

Alkane sind viel leichter als Wasser, unpolar und schwer zu polarisieren, aber sie sind in den meisten unpolaren Lösungsmitteln löslich, weshalb sie selbst ein Lösungsmittel für viele organische Verbindungen sein können.

Alkan oder Paraffin(historischer Name, der auch andere Bedeutungen hat) ist ein azyklischer gesättigter Kohlenwasserstoff. Mit anderen Worten: Ein Alkan besteht aus Wasserstoff- und Kohlenstoffatomen, die in einer baumartigen Struktur angeordnet sind, in der alle Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen einfach sind.

Alkane haben eine allgemeine chemische Formel CnH2n+2. Alkane reichen in ihrer Komplexität vom einfachsten Fall von Methan, CH 4, wobei n = 1 (manchmal auch das ursprüngliche Molekül genannt) zu beliebig großen Molekülen.

Chemische Struktur von Methan, dem einfachsten Alkan

Abgesehen von dieser Standarddefinition der International Union of Pure and Applied Chemistry bezieht sich der Begriff Alkan in der Verwendung einiger Autoren auf alle gesättigten Kohlenwasserstoffe, einschließlich solcher, die entweder monozyklisch (d. h. Cycloalkane) oder polyzyklisch sind.

In einem Alkan hat jedes Kohlenstoffatom 4 Bindungen (entweder C-C oder C-H), und jedes Wasserstoffatom ist an eines der Kohlenstoffatome gebunden (wie bei einer C-H-Bindung). Die längste Reihe gebundener Kohlenstoffatome in einem Molekül wird als Kohlenstoffskelett oder Kohlenstoffrückgrat bezeichnet. Die Anzahl der Kohlenstoffatome kann man sich als die Größe des Alkans vorstellen.

Eine Gruppe höherer Alkane sind Wachse, Feststoffe bei Standardumgebungstemperatur und -druck (STAP), bei denen die Anzahl der Kohlenstoffatome in der Kohlenstoffkette etwa 17-mal höher ist.

Mit wiederholtem -CH 2 — Alkane stellen eine homologe Reihe organischer Verbindungen dar, in denen sich die Gruppen im Molekulargewicht um ein Vielfaches von 14,03 μm unterscheiden (die Gesamtmasse jeder solchen Methyleneinheit, die ein einzelnes Kohlenstoffatom mit einer Masse von 12,01 μm und zwei Wasserstoffatome mit a enthält). Masse von jeweils ~ 1,01 μm).

Alkane sind nicht sehr reaktiv und haben eine geringe biologische Aktivität. Man kann sie sich als Molekülbäume vorstellen, an denen die aktiveren/reaktiveren funktionellen Gruppen biologischer Moleküle suspendiert werden können.

Alkane haben zwei Hauptquellen: Erdöl (Rohöl) und Erdgas.

Eine Alkylgruppe, üblicherweise mit R abgekürzt, ist eine funktionelle Gruppe, die wie ein Alkan ausschließlich aus gebundenen azyklischen Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen besteht, beispielsweise eine Methyl- oder Ethylgruppe.

Klassifizierungsstruktur

Gesättigte Kohlenwasserstoffe sind Kohlenwasserstoffe, die nur einfache kovalente Bindungen zwischen ihren Kohlenstoffatomen aufweisen. Sie können Folgendes darstellen:

• Linear (allgemeine Formel C n H 2n + 2), bei dem die Kohlenstoffatome in einer schlangenartigen Struktur verbunden sind.
• Verzweigt (allgemeine Formel C n H2 n + 2, n > 2), wobei das Kohlenstoffgerüst in eine oder mehrere Richtungen abgespalten ist.
• Zyklisch (allgemeine Formel C n H 2n, n > 3), wobei die Kohlenstoffkette zu einer Schleife verbunden ist.

Isobutan für 2-Methylpropan
Isopentan für 2-Methylbutan
Neopentan für 2,2-Dimethylpropan.

Chemische Eigenschaften von Alkanen

- Sie können dies in einer vollständigen, verständlichen Darstellung studieren.

Physikalische Eigenschaften von Alkanen

Alle Alkane sind farb- und geruchlos.

Tabelle der Alkane.

Alkan	Formel	Siedepunkt [°C]	Schmelzpunkt [°C]	Dichte [g cm-3] (bei 20 °C)
Methan	CH 4	−162	−182	Gas
Ethan	C2H6	-89	−183	Gas
Propan	C 3 H 8	−42	−188	Gas
Butan	C4H10	0	−138	0.626
Pentan	C5H12	36	−130	0.659
Hexan	C6H14	69	−95	0.684
Heptan	C 7 H 16	98	−91	0.684
Oktan	C 8 H 18	126	−57	0.718
Nonan	C 9 H 20	151	−54	0.730
Dean	C 10 H 22	174	−30	0.740
Undekan	C 11 H 24	196	-26	0.749
Dodekan	C 12 H 26	216	−10	0.769
Pentadecan	C 15 H 32	270	10-17	0.773
Hexadecan	C 16 H 34	287	18	Solide
Eikosan	C 20 H 42	343	37	Solide
Tricontan	C 30 H 62	450	66	Solide
Tetrocontan	C 40 H 82	525	82	Solide
Pentocontan	C 50 H 102	575	91	Solide
Hexocontan	C 60 H 122	625	100	Solide

Siedepunkt

Alkane unterliegen intermolekularen Van-der-Waals-Kräften. Stärkere intermolekulare Van-der-Waals-Kräfte führen zu höheren Siedepunkten von Alkanen.

Es gibt zwei Determinanten für die Stärke der Van-der-Waals-Kräfte:

• Die Anzahl der das Molekül umgebenden Elektronen, die mit dem Molekulargewicht des Alkans zunimmt
• Moleküloberfläche

Unter Standardbedingungen von CH 4 bis C 4 H 10 sind Alkane gasförmig; Von C5H12 bis C17H36 sind sie Flüssigkeiten; Und nach C 18 H 38 sind sie fest. Da die Siedepunkte von Alkanen in erster Linie durch das Gewicht bestimmt werden, sollte es nicht überraschen, dass der Siedepunkt in einem nahezu linearen Zusammenhang mit der Größe (Molekulargewicht) des Moleküls steht. Typischerweise erhöht sich der Siedepunkt für jeden zur Kette hinzugefügten Kohlenstoff um 20–30 °C. Diese Regel gilt auch für andere homologe Reihen.

In der physikalischen Chemie sind Van-der-Waals-Kräfte (oder Van-der-Waals-Wechselwirkungen), benannt nach dem niederländischen Wissenschaftler Johannes Diederik van der Waals, verbleibende Anziehungs- oder Abstoßungskräfte zwischen Molekülen oder Atomgruppen, die nicht aus kovalenten Bindungen entstehen. Es kann gezeigt werden, dass Van-der-Waals-Kräfte aufgrund von Quantenwechselwirkungen mit dem Nullpunktfeld denselben Ursprung haben wie der Casimir-Effekt. Die resultierenden Van-der-Waals-Kräfte können anziehend oder abstoßend sein.

Ein geradkettiges Alkan hat aufgrund der größeren Kontaktoberfläche und damit der größeren Van-der-Waals-Kräfte zwischen benachbarten Molekülen einen höheren Siedepunkt als ein verzweigtkettiges Alkan. Vergleichen Sie beispielsweise Isobutan (2-Methylpropan) und n-Butan (Butan), die bei -12 und 0 °C sieden, und 2,2-Dimethylbutan und 2,3-Dimethylbutan, die bei 50 und 58 °C sieden. jeweils . Im letzteren Fall können zwei Moleküle 2,3-Dimethylbutan besser zusammenklicken als das kreuzförmige 2,2-Dimethylbutan, daher die großen Van-der-Waals-Kräfte

Andererseits haben Cycloalkane tendenziell höhere Siedepunkte als ihre linearen Gegenstücke, da die Moleküle in ihrer festen Konformation eine Ebene für den intermolekularen Kontakt bilden.

Schmelzpunkte

Die Schmelzpunkte von Alkanen weisen aus demselben Grund wie oben einen ähnlichen Trend wie ihre Siedepunkte auf. Das heißt (unter sonst gleichen Bedingungen): Je größer das Molekül, desto höher der Schmelzpunkt. Es gibt einen wesentlichen Unterschied zwischen Siedepunkten und Schmelzpunkten. Feststoffe haben eine steifere und festere Struktur als Flüssigkeiten. Der Abbau dieser starren Struktur erfordert Energie. Für eine bessere Verbindung fester Strukturen ist daher mehr Energie zum Brechen erforderlich. Für Alkane ist dies in der Grafik oben zu sehen (d. h. die grüne Linie). Alkane mit ungeraden Zahlen neigen weniger zum Schmelzen als Alkane mit geraden Zahlen. Dies lässt sich dadurch erklären, dass gerade Alkane in der festen Phase gut gepackt sind und eine gut organisierte Struktur bilden, deren Bruch mehr Energie erfordert. Alkane mit ungeraden Zahlen lagern sich weniger gut zusammen, weshalb eine organisierte kompakte Struktur mit einer lockereren Struktur weniger Energie zum Aufbrechen erfordert.

Die Schmelzpunkte verzweigtkettiger Alkane können entweder höher oder niedriger sein als die der entsprechenden geradkettigen Alkane, wiederum abhängig von der Fähigkeit des betreffenden Alkans, sich in der festen Phase gut zu stapeln: Dies gilt insbesondere für Isoalkane (2-Methyl). Isomere), deren Schmelztemperaturen oft höher sind als die ihrer linearen Analoga.

Leitfähigkeit und Löslichkeit

Alkane leiten keinen Strom und werden durch ein elektrisches Feld nicht polarisiert. Aus diesem Grund bilden sie keine Wasserstoffbrückenbindungen und sind in polaren Lösungsmitteln wie Wasser unlöslich. Da die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen einzelnen Wassermolekülen vom Alkanmolekül weg ausgerichtet sind, führt die Koexistenz von Alkan und Wasser zu einer erhöhten molekularen Ordnung (verminderte Entropie). Da es keinen nennenswerten Zusammenhalt zwischen Wassermolekülen und Alkanmolekülen gibt, legt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik nahe, dass dieser Rückgang der Entropie minimiert werden sollte, indem der Kontakt zwischen Alkan und Wasser minimiert wird: Alkane gelten als hydrophob in dem Sinne, dass sie Wasser abstoßen.

Ihre Löslichkeit in unpolaren Lösungsmitteln ist relativ gut, eine Eigenschaft, die Lipophilie genannt wird. Beispielsweise werden verschiedene Alkane in allen Mengenverhältnissen miteinander vermischt.

Die Dichte von Alkanen nimmt im Allgemeinen mit der Anzahl der Kohlenstoffatome zu, bleibt jedoch geringer als die von Wasser. Daher bilden die Alkane als Alkan-Wasser-Gemisch die oberste Schicht.

Molekulargeometrie

Die molekulare Struktur von Alkanen beeinflusst direkt ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften. Sie leitet sich von der Elektronenkonfiguration des Kohlenstoffs ab, der über vier Valenzelektronen verfügt. Die Kohlenstoffatome in Alkanen sind immer sp 3 -hybridisiert, das heißt, die Valenzelektronen befinden sich angeblich in vier äquivalenten Orbitalen, die aus einer Kombination von 2 s-Orbitalen und drei 2p-Orbitalen abgeleitet sind. Diese Orbitale mit gleichen Energien sind räumlich in Form eines Tetraeders angeordnet, der Winkel zwischen ihnen beträgt cos -1 (- 1/3) ≈ 109,47°.

Bindungslängen und Bindungswinkel

Ein Alkanmolekül hat nur C-H- und C-C-Einfachbindungen. Erstere sind eine Folge der Überlappung des sp 3-Orbitals von Kohlenstoff mit dem 1s-Orbital von Wasserstoff; Letzteres ist auf die Überlappung zweier sp 3 -Orbitale an unterschiedlichen Kohlenstoffatomen zurückzuführen. Die Bindungslängen betragen 1,09 × 10 –10 m für die C-H-Bindung und 1,54 × 10 –10 μm für die C-C-Bindung.

Die räumliche Anordnung der Bindungen ähnelt der der vier sp3-Orbitale – sie sind tetraedrisch mit einem Winkel von 109,47° zwischen ihnen angeordnet. Strukturformeln, die Bindungen als im rechten Winkel zueinander verlaufend darstellen, sind zwar allgemein und nützlich, aber nicht wahr.

Konformation

Die Strukturformel und die Bindungswinkel reichen in der Regel nicht aus, um die Geometrie eines Moleküls vollständig zu beschreiben. Für jede Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung gibt es einen weiteren Freiheitsgrad: den Torsionswinkel zwischen den Atomen oder Gruppen, die an den Atomen an jedem Ende der Bindung gebunden sind. Die durch die Torsionswinkel eines Moleküls beschriebene räumliche Anordnung wird als seine Form bezeichnet.

Ethan stellt den einfachsten Fall für die Untersuchung der Konformation von Alkanen dar, da es nur eine C-C-Bindung gibt. Wenn Sie entlang der C-C-Bindungsachse nach unten schauen, sehen Sie die sogenannte Newman-Projektion. Die Wasserstoffatome auf den vorderen und hinteren Kohlenstoffatomen bilden zwischen sich einen Winkel von 120°, was auf die Projektion der Basis des Tetraeders auf eine flache Ebene zurückzuführen ist. Allerdings kann der Torsionswinkel zwischen einem bestimmten Wasserstoffatom, das am vorderen Kohlenstoff befestigt ist, und einem bestimmten Wasserstoffatom, das am hinteren Kohlenstoff befestigt ist, frei von 0° bis 360° variiert werden. Dies ist eine Folge der freien Rotation um eine einfache Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung. Trotz dieser scheinbaren Freiheit sind nur zwei extreme Konformationen wichtig: die Eclipsing-Konformation und die Stufenkonformation.

Kugel- und Doppelschneckenmodelle zweier Ethanrotamere

Die beiden Konformationen, auch Rotamere genannt, unterscheiden sich in der Energie: Die gestaffelte Konformation ist 12,6 kJ/mol energieärmer (stabiler) als die ekliptische Konformation (am wenigsten stabil).

Dieser Energieunterschied zwischen den beiden Konformationen, Torsionsenergie genannt, ist im Vergleich zur thermischen Energie eines Ethanmoleküls bei Umgebungstemperatur gering. Konstante Rotation um die C-C-Bindung. Die Zeit, die für den Übergang eines Ethanmoleküls von einer gestaffelten Konformation in eine andere benötigt wird, was der Drehung einer CH3-Gruppe um 120° relativ zur anderen entspricht, liegt in der Größenordnung von 10 -11 s.

Projektionen zweier Konformationen von Ethan: links verfinstert, rechts schachbrettartig.

Höhere Alkane sind komplexer, basieren aber auf ähnlichen Prinzipien, wobei die antiperiplanare Konformation immer um jede Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung herum bevorzugt wird. Aus diesem Grund werden Alkane in Diagrammen und Modellen meist in einem Zickzackmuster dargestellt. Die tatsächliche Struktur weicht immer etwas von diesen idealisierten Formen ab, da die Energieunterschiede zwischen Konformationen im Vergleich zur thermischen Energie der Moleküle gering sind, da Alkanmoleküle keine feste Strukturform haben, unabhängig davon, was das Modell zeigt.

Spektroskopische Eigenschaften

Fast alle organischen Verbindungen enthalten Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen und weisen daher in ihren Spektren einige Merkmale von Alkanen auf. Alkane zeichnen sich durch das Fehlen anderer Gruppen und damit das Fehlen anderer charakteristischer spektroskopischer Merkmale verschiedener funktioneller Gruppen wie -OH, -CHO, -COOH usw. aus.

Infrarot-Spektroskopie

Der Kohlenstoff-Wasserstoff-Streckmodus führt zu einer starken Absorption zwischen 2850 und 2960 cm –1, während der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Streckmodus zwischen 800 und 1300 cm –1 absorbiert. Kohlenstoff-Wasserstoff-Biegemethoden hängen von der Art der Gruppe ab: Methylgruppen zeigen Banden bei 1450 cm –1 und 1375 cm –1 , während Methylengruppen Banden bei 1465 cm –1 und 1450 cm –1 zeigen. Kohlenstoffketten mit mehr als vier Kohlenstoffatomen zeigen eine schwache Absorption bei etwa 725 cm -1.

NMR-Spektroskopie

Protonenresonanzen von Alkanen werden normalerweise bei δH = 0,5–1,5 gefunden. Resonanzen von Kohlenstoff 13 hängen von der Anzahl der an Kohlenstoff gebundenen Wasserstoffatome ab: δ C = 8-30 (primär, Methyl, -CH 3), 15-55 (sekundär, Methylen, -CH 2 -), 20-60 (tertiär). , Metin , C-H) und quartär. Die Kohlenstoff-13-Resonanz quartärer Kohlenstoffatome zeichnet sich durch eine Schwäche aufgrund des Fehlens des nuklearen Overhauser-Effekts und langer Relaxationszeiten aus und kann bei schwachen Proben oder Proben, die nicht über einen ausreichend langen Zeitraum verarbeitet wurden, übersehen werden.

Massenspektrometer

Alkane haben eine hohe Ionisierungsenergie, während Molekülionen normalerweise eine schwache Ionisierungsenergie haben. Die Fragmentierung kann schwierig zu interpretieren sein, aber im Fall verzweigter Alkane wird die Kohlenstoffkette aufgrund der relativen Stabilität der resultierenden freien Radikale bevorzugt an tertiären oder quartären Kohlenstoffatomen gespalten. Das aus dem Verlust einer Methylgruppe resultierende Fragment (M-15) fehlt oft, und das andere Fragment ist oft durch Intervalle von vierzehn Masseneinheiten getrennt, was dem sequenziellen Verlust von CH 2 -Gruppen entspricht.

Methoden zur Herstellung von Alkanen

In diesem Artikel können Sie auch Methoden zur Gewinnung von Alkanen kennenlernen und studieren.

Struktur von Alkanen

Alkane sind Kohlenwasserstoffe, in deren Molekülen die Atome durch Einfachbindungen verbunden sind und die der allgemeinen Formel entsprechen C n H 2n+2. In Alkanmolekülen befinden sich alle Kohlenstoffatome im Zustand sp 3 -Hybridisierung.

Das bedeutet, dass alle vier Hybridorbitale des Kohlenstoffatoms in Form und Energie identisch sind und auf die Ecken einer gleichseitigen dreieckigen Pyramide gerichtet sind – Tetraeder. Die Winkel zwischen den Orbitalen betragen 109° 28′. Um eine einzelne Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung ist eine nahezu freie Rotation möglich, und Alkanmoleküle können eine Vielzahl von Formen annehmen, wobei die Winkel an den Kohlenstoffatomen nahezu tetraedrisch sind (109° 28′), beispielsweise im n-Pentanmolekül.

Besonders erwähnenswert sind die Bindungen in Alkanmolekülen. Alle Bindungen in den Molekülen gesättigter Kohlenwasserstoffe sind einfach. Die Überlappung erfolgt entlang der Achse, die die Atomkerne verbindet, d.h. es σ-Bindungen. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sind unpolar und schlecht polarisierbar. Die Länge der C-C-Bindung in Alkanen beträgt 0,154 nm (1,54 · 10 · 10 m). C-H-Bindungen sind etwas kürzer. Die Elektronendichte ist leicht in Richtung des elektronegativeren Kohlenstoffatoms, also der C-H-Bindung, verschoben schwach polar.

Homologe Reihe von Methan

Homologe- Stoffe, die in Struktur und Eigenschaften ähnlich sind und sich in unterscheiden eine oder mehrere CH-Gruppen 2 .

Gesättigte Kohlenwasserstoffe bilden die homologe Reihe von Methan.

Isomerie und Nomenklatur von Alkanen

Alkane zeichnen sich durch die sogenannten aus Strukturisomerie. Strukturisomere unterscheiden sich voneinander in der Struktur des Kohlenstoffgerüsts. Das einfachste Alkan, das durch Strukturisomere gekennzeichnet ist, ist Butan.

Betrachten wir die grundlegende Nomenklatur für Alkane genauer IUPAC.

1. Auswahl des Hauptstromkreises. Die Namensbildung eines Kohlenwasserstoffs beginnt mit der Definition der Hauptkette – der längsten Kette von Kohlenstoffatomen im Molekül, die sozusagen seine Grundlage bildet.

2. Nummerierung der Hauptkettenatome. Den Atomen der Hauptkette werden Nummern zugeordnet. Die Nummerierung der Atome der Hauptkette beginnt an dem Ende, dem der Substituent am nächsten liegt (Strukturen A, B). Befinden sich die Substituenten in gleichem Abstand vom Kettenende, beginnt die Nummerierung an dem Ende, an dem sich mehr davon befinden (Struktur B). Befinden sich unterschiedliche Substituenten in gleichem Abstand von den Enden der Kette, beginnt die Nummerierung an dem Ende, dem der ältere Substituent am nächsten liegt (Struktur D). Старшинство углеводородных заместителей определяется по тому, в каком порядке следует в алфавите буква, с которой начинается их название: метил (-СН 3), затем пропил (-СН 2 -СН 2 -СН 3), этил (-СН 2 -СН 3 ) usw.

Bitte beachten Sie, dass der Name des Substituenten durch Ersetzen des Suffixes -ane durch das Suffix -yl im Namen des entsprechenden Alkans gebildet wird.

3. Bildung des Namens. Am Anfang des Namens stehen Zahlen – die Nummern der Kohlenstoffatome, an denen sich die Substituenten befinden. Wenn an einem Atom mehrere Substituenten vorhanden sind, wird die entsprechende Zahl im Namen zweimal durch ein Komma getrennt wiederholt (2,2-). Nach der Zahl gibt ein Bindestrich die Anzahl der Substituenten (di – zwei, drei – drei, tetra – vier, penta – fünf) und den Namen des Substituenten (Methyl, Ethyl, Propyl) an. Dann, ohne Leerzeichen oder Bindestriche, der Name der Hauptkette. Die Hauptkette wird als Kohlenwasserstoff bezeichnet – ein Mitglied der homologen Reihe von Methan (Methan, Ethan, Propan usw.).

Die Namen der Stoffe, deren Strukturformeln oben angegeben sind, lauten wie folgt:

Struktur A: 2-Methylpropan;

Struktur B: 3-Ethylhexan;

Struktur B: 2,2,4-Trimethylpentan;

Struktur D: 2-Methyl-4-ethylhexan.

Fehlen gesättigter Kohlenwasserstoffe in Molekülen polare Bindungen führt zu ihnen schlecht wasserlöslich, interagieren nicht mit geladenen Teilchen (Ionen). Die charakteristischsten Reaktionen für Alkane sind solche mit freie Radikale.

Physikalische Eigenschaften von Alkanen

Die ersten vier Vertreter der homologen Reihe von Methan sind Gase. Das einfachste davon ist Methan – ein farbloses, geschmackloses und geruchloses Gas (der Geruch von „Gas“, wenn Sie es riechen, müssen Sie 04 anrufen, wird durch den Geruch von Mercaptanen bestimmt – schwefelhaltigen Verbindungen, die speziell dem verwendeten Methan zugesetzt werden in Haushalts- und Industriegasgeräten, damit Personen, die sich in der Nähe befinden, das Leck anhand des Geruchs erkennen können).

Kohlenwasserstoffe der Zusammensetzung aus MIT 5 N 12 Vor MIT 15 N 32 - Flüssigkeiten; schwerere Kohlenwasserstoffe sind Feststoffe. Die Siede- und Schmelzpunkte von Alkanen steigen mit zunehmender Länge der Kohlenstoffkette allmählich an. Alle Kohlenwasserstoffe sind in Wasser schlecht löslich; flüssige Kohlenwasserstoffe sind übliche organische Lösungsmittel.

Chemische Eigenschaften von Alkanen

Substitutionsreaktionen.

Die charakteristischsten Reaktionen für Alkane sind Substitution freier Radikale, bei dem ein Wasserstoffatom durch ein Halogenatom oder eine Gruppe ersetzt wird.

Stellen wir die charakteristischen Gleichungen vor Halogenierungsreaktionen:

Bei einem Überschuss an Halogen kann die Chlorierung noch weiter gehen, bis hin zum vollständigen Ersatz aller Wasserstoffatome durch Chlor:

Die dabei entstehenden Stoffe werden häufig als Lösungsmittel und Ausgangsstoffe in organischen Synthesen verwendet.

Dehydrierungsreaktion(Wasserstoffabstraktion).

Wenn Alkane bei hohen Temperaturen (400–600 °C) über einen Katalysator (Pt, Ni, Al 2 O 3, Cr 2 O 3) geleitet werden, wird ein Wasserstoffmolekül abgespalten und a Alken:

Reaktionen, die mit der Zerstörung der Kohlenstoffkette einhergehen. Alle gesättigten Kohlenwasserstoffe brennen unter Bildung von Kohlendioxid und Wasser. Gasförmige Kohlenwasserstoffe, die in bestimmten Anteilen mit Luft vermischt sind, können explodieren.

1. Verbrennung gesättigter Kohlenwasserstoffe ist eine exotherme Reaktion freier Radikale, die bei der Verwendung von Alkanen als Kraftstoff sehr wichtig ist:

Im Allgemeinen kann die Verbrennungsreaktion von Alkanen wie folgt geschrieben werden:

2. Thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen.

Der Ablauf erfolgt gem Mechanismus freier Radikale. Eine Temperaturerhöhung führt zur homolytischen Spaltung der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung und zur Bildung freier Radikale.

Diese Radikale interagieren miteinander und tauschen ein Wasserstoffatom aus, um ein Molekül zu bilden Alkan- und Alkenmolekül:

Dem industriellen Prozess liegen thermische Zersetzungsreaktionen zugrunde – Cracken von Kohlenwasserstoffen. Dieser Prozess ist der wichtigste Schritt der Ölraffinierung.

3. Pyrolyse. Wenn Methan auf eine Temperatur von 1000 °C erhitzt wird, Methanpyrolyse- Zersetzung in einfache Stoffe:

Beim Erhitzen auf eine Temperatur von 1500 °C kommt es zur Bildung von Acetylen:

4. Isomerisierung. Beim Erhitzen linearer Kohlenwasserstoffe mit einem Isomerisierungskatalysator (Aluminiumchlorid) entstehen Stoffe mit verzweigtes Kohlenstoffgerüst:

5. Aromatisierung. Alkane mit sechs oder mehr Kohlenstoffatomen in der Kette cyclisieren in Gegenwart eines Katalysators zu Benzol und seinen Derivaten:

Alkane gehen Reaktionen ein, die nach dem Mechanismus freier Radikale ablaufen, da sich alle Kohlenstoffatome in Alkanmolekülen im Zustand der sp 3 -Hybridisierung befinden. Die Moleküle dieser Substanzen werden aus kovalenten unpolaren C-C-Bindungen (Kohlenstoff-Kohlenstoff) und schwach polaren C-H-Bindungen (Kohlenstoff-Wasserstoff) aufgebaut. Sie enthalten keine Bereiche mit erhöhter oder erniedrigter Elektronendichte oder leicht polarisierbare Bindungen, also solche Bindungen, bei denen sich die Elektronendichte unter dem Einfluss äußerer Faktoren (elektrostatische Felder von Ionen) verschieben kann. Folglich reagieren Alkane nicht mit geladenen Teilchen, da die Bindungen in Alkanmolekülen nicht durch den heterolytischen Mechanismus aufgebrochen werden.

Es wäre nützlich, mit einer Definition des Konzepts der Alkane zu beginnen. Diese sind gesättigt oder gesättigt. Man kann auch sagen, dass es sich um Kohlenstoffe handelt, bei denen die Verbindung von C-Atomen durch einfache Bindungen erfolgt. Die allgemeine Formel lautet: CnH₂n+ 2.

Es ist bekannt, dass das Verhältnis der Anzahl der H- und C-Atome in ihren Molekülen im Vergleich zu anderen Klassen maximal ist. Aufgrund der Tatsache, dass alle Valenzen entweder mit C oder H besetzt sind, werden die chemischen Eigenschaften von Alkanen nicht klar ausgedrückt, daher ist ihr zweiter Name die Phrase gesättigte oder gesättigte Kohlenwasserstoffe.

Es gibt auch einen älteren Namen, der ihre relative chemische Inertheit am besten widerspiegelt: Paraffine, was „ohne Affinität“ bedeutet.

Das Thema unseres heutigen Gesprächs lautet also: „Alkane: homologische Reihen, Nomenklatur, Struktur, Isomerie.“ Es werden auch Daten zu ihren physikalischen Eigenschaften präsentiert.

Alkane: Struktur, Nomenklatur

In ihnen befinden sich die C-Atome in einem Zustand, der sp3-Hybridisierung genannt wird. In dieser Hinsicht lässt sich das Alkanmolekül als eine Reihe tetraedrischer C-Strukturen darstellen, die nicht nur untereinander, sondern auch mit H verbunden sind.

Zwischen den C- und H-Atomen bestehen starke, sehr niedrigpolare S-Bindungen. Atome rotieren immer um einfache Bindungen, weshalb Alkanmoleküle verschiedene Formen annehmen und die Bindungslänge und der Winkel zwischen ihnen konstante Werte sind. Formen, die sich aufgrund der Rotation des Moleküls um σ-Bindungen ineinander umwandeln, werden üblicherweise als Konformationen bezeichnet.

Bei der Abstraktion eines H-Atoms aus dem betreffenden Molekül entstehen einwertige Spezies, sogenannte Kohlenwasserstoffradikale. Sie entstehen nicht nur durch anorganische Verbindungen, sondern auch durch diese. Wenn man von einem gesättigten Kohlenwasserstoffmolekül zwei Wasserstoffatome abzieht, erhält man zweiwertige Radikale.

Somit kann die Nomenklatur der Alkane wie folgt lauten:

• radial (alte Version);
• Substitution (international, systematisch). Es wurde von der IUPAC vorgeschlagen.

Merkmale der radialen Nomenklatur

Im ersten Fall wird die Nomenklatur der Alkane wie folgt charakterisiert:

1. Betrachtung von Kohlenwasserstoffen als Derivate des Methans, bei denen 1 oder mehrere H-Atome durch Radikale ersetzt sind.
2. Hoher Komfort bei nicht sehr komplexen Verbindungen.

Merkmale der Substitutionsnomenklatur

Die Substitutionsnomenklatur von Alkanen weist folgende Merkmale auf:

1. Grundlage für den Namen ist eine Kohlenstoffkette, während die übrigen Molekülfragmente als Substituenten betrachtet werden.
2. Bei mehreren identischen Radikalen wird die Zahl vor ihrem Namen angegeben (streng in Worten) und die Radikalzahlen durch Kommas getrennt.

Chemie: Nomenklatur der Alkane

Der Einfachheit halber werden die Informationen in Tabellenform dargestellt.

Stoffname	Die Basis des Namens (Wurzel)	Molekularformel	Name des Kohlenstoffsubstituenten	Formel für Kohlenstoffsubstituenten

Die obige Nomenklatur der Alkane umfasst Namen, die sich historisch entwickelt haben (die ersten vier Mitglieder der Reihe gesättigter Kohlenwasserstoffe).

Die Namen von nicht expandierten Alkanen mit 5 oder mehr C-Atomen leiten sich von griechischen Ziffern ab, die die angegebene Anzahl von C-Atomen widerspiegeln. Das Suffix -an weist also darauf hin, dass die Substanz aus einer Reihe gesättigter Verbindungen stammt.

Bei der Namensbildung ungefalteter Alkane ist die Hauptkette diejenige, die die größte Anzahl an C-Atomen enthält. Sie wird so nummeriert, dass die Substituenten die niedrigste Zahl haben. Bei zwei oder mehr Ketten gleicher Länge ist die Hauptkette diejenige, die die meisten Substituenten enthält.

Isomerie von Alkanen

Der Ausgangskohlenwasserstoff ihrer Reihe ist Methan CH₄. Bei jedem weiteren Vertreter der Methanreihe wird in der Methylengruppe - CH₂ - ein Unterschied zum vorherigen beobachtet. Dieses Muster lässt sich durch die gesamte Reihe der Alkane verfolgen.

Der deutsche Wissenschaftler Schiel machte den Vorschlag, diese Reihe homologisch zu nennen. Aus dem Griechischen übersetzt bedeutet es „ähnlich, ähnlich“.

Somit ist eine homologe Reihe eine Menge verwandter organischer Verbindungen, die die gleiche Struktur und ähnliche chemische Eigenschaften haben. Homologe sind Mitglieder einer bestimmten Reihe. Homologe Differenz ist eine Methylengruppe, in der sich zwei benachbarte Homologe unterscheiden.

Wie bereits erwähnt, kann die Zusammensetzung jedes gesättigten Kohlenwasserstoffs mit der allgemeinen Formel CnH₂n + 2 ausgedrückt werden. Somit ist das nächste Mitglied der homologen Reihe nach Methan Ethan – C₂H₆. Um seine Struktur von Methan umzuwandeln, ist es notwendig, 1 H-Atom durch CH₃ zu ersetzen (Abbildung unten).

Die Struktur jedes nachfolgenden Homologs kann auf die gleiche Weise aus dem vorherigen abgeleitet werden. Dadurch entsteht aus Ethan Propan – C₃H₈.

Was sind Isomere?

Dabei handelt es sich um Stoffe mit identischer qualitativer und quantitativer Molekülzusammensetzung (identische Summenformel), aber unterschiedlicher chemischer Struktur und auch unterschiedlichen chemischen Eigenschaften.

Die oben besprochenen Kohlenwasserstoffe unterscheiden sich in einem Parameter wie dem Siedepunkt: -0,5° - Butan, -10° - Isobutan. Diese Art der Isomerie wird Kohlenstoffgerüstisomerie genannt; sie gehört zum Strukturtyp.

Die Zahl der Strukturisomere nimmt mit zunehmender Zahl der Kohlenstoffatome schnell zu. Somit entspricht C₁₀H₂₂ 75 Isomeren (ohne räumliche Isomere), und für C₁₅H₃₂ sind bereits 4347 Isomere bekannt, für C₂₀H₄₂ - 366.319.

Es ist also bereits klar geworden, was Alkane sind, homologe Reihen, Isomerie, Nomenklatur. Nun lohnt es sich, zu den Regeln für die Zusammenstellung von Namen nach IUPAC überzugehen.

IUPAC-Nomenklatur: Regeln für die Namensbildung

Zunächst muss in der Kohlenwasserstoffstruktur die Kohlenstoffkette gefunden werden, die am längsten ist und die maximale Anzahl an Substituenten enthält. Dann müssen Sie die C-Atome der Kette nummerieren, beginnend mit dem Ende, dem der Substituent am nächsten ist.

Zweitens ist die Base der Name eines unverzweigten gesättigten Kohlenwasserstoffs, der hinsichtlich der Anzahl der C-Atome der Hauptkette entspricht.

Drittens müssen vor der Base die Nummern der Lokanten angegeben werden, in deren Nähe sich die Substituenten befinden. Die Namen der Substituenten werden mit einem Bindestrich nachgestellt.

Viertens werden bei Vorhandensein identischer Substituenten an verschiedenen C-Atomen die Lokanten zusammengefasst und vor dem Namen ein multiplizierendes Präfix angezeigt: di – für zwei identische Substituenten, drei – für drei, Tetra – vier, Penta – für fünf usw. Zahlen müssen durch ein Komma voneinander und durch einen Bindestrich von Wörtern getrennt werden.

Wenn das gleiche C-Atom zwei Substituenten gleichzeitig enthält, wird der Lokant auch zweimal geschrieben.

Nach diesen Regeln wird die internationale Nomenklatur der Alkane gebildet.

Newman-Projektionen

Dieser amerikanische Wissenschaftler schlug spezielle Projektionsformeln zur grafischen Demonstration von Konformationen vor – Newman-Projektionen. Sie entsprechen den Formen A und B und sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Im ersten Fall handelt es sich um eine A-okkludierte Konformation, im zweiten Fall um eine B-inhibierte Konformation. In Position A befinden sich die H-Atome in einem minimalen Abstand voneinander. Diese Form entspricht dem höchsten Energiewert, da die Abstoßung zwischen ihnen am größten ist. Dies ist ein energetisch ungünstiger Zustand, wodurch das Molekül dazu neigt, diesen zu verlassen und in eine stabilere Position B zu wandern. Hier sind die H-Atome möglichst weit voneinander entfernt. Somit beträgt der Energieunterschied zwischen diesen Positionen 12 kJ/mol, wodurch die freie Rotation um die Achse im Ethanmolekül, das die Methylgruppen verbindet, ungleichmäßig ist. Nach Eintritt in eine energetisch günstige Position verweilt das Molekül dort, d. h. es „verlangsamt sich“. Deshalb wird es gehemmt genannt. Das Ergebnis ist, dass sich 10.000 Ethanmoleküle bei Raumtemperatur in der gehemmten Konformationsform befinden. Nur einer hat eine andere Form – verdeckt.

Gewinnung gesättigter Kohlenwasserstoffe

Aus dem Artikel ist bereits bekannt geworden, dass es sich um Alkane handelt (ihre Struktur und Nomenklatur wurde zuvor ausführlich beschrieben). Es wäre sinnvoll, darüber nachzudenken, wie man sie erhalten kann. Sie werden aus natürlichen Quellen wie Öl, Natur und Kohle freigesetzt. Auch synthetische Methoden kommen zum Einsatz. Zum Beispiel H₂ 2H₂:

1. Hydrierungsprozess CnH₂n (Alkene)→ CnH₂n+2 (Alkane)← CnH₂n-2 (Alkine).
2. Aus einer Mischung aus C- und H-Monoxid - Synthesegas: nCO+(2n+1)H₂→ CnH₂n+2+nH₂O.
3. Aus Carbonsäuren (ihren Salzen): Elektrolyse an der Anode, an der Kathode:

• Kolbe-Elektrolyse: 2RCOONa+2H₂O→R-R+2CO₂+H₂+2NaOH;
• Dumas-Reaktion (Legierung mit Alkali): CH₃COONa+NaOH (t)→CH₄+Na₂CO₃.

1. Ölcracken: CnH₂n+2 (450-700°)→ CmH₂m+2+ Cn-mH₂(n-m).
2. Vergasung von Brennstoff (fest): C+2H₂→CH₄.
3. Synthese komplexer Alkane (Halogenderivate), die weniger C-Atome haben: 2CH₃Cl (Chlormethan) +2Na →CH₃- CH₃ (Ethan) +2NaCl.
4. Zersetzung von Methaniden (Metallcarbiden) durch Wasser: Al₄C₃+12H₂O→4Al(OH₃)↓+3CH₄.

Physikalische Eigenschaften gesättigter Kohlenwasserstoffe

Der Einfachheit halber sind die Daten in einer Tabelle gruppiert.

Formel	Alkan	Schmelzpunkt in °C	Siedepunkt in °C	Dichte, g/ml
				0,415 bei t = -165°С
				0,561 bei t= -100°C
				0,583 bei t = -45°C
				0,579 bei t =0°C
	2-Methylpropan			0,557 bei t = -25°C
	2,2-Dimethylpropan
	2-Methylbutan
	2-Methylpentan
	2,2,3,3-Tetramethylbutan
	2,2,4-Trimethylpentan
n-C₁₀H₂₂
n-C₁₁H₂₄	n-Undecan
n-C₁₂H₂₆	n-Dodecan
n-C₁₃H₂₈	n-Tridecan
n-C₁₄H₃₀	n-Tetradecan
n-C₁₅H₃₂	n-Pentadecan
n-C₁₆H₃₄	n-Hexadecan
n-C₂₀H₄₂	n-Eicosan
n-C₃₀H₆₂	n-Triacontan		1 mmHg st
n-C₄₀H₈₂	n-Tetracontan		3 mmHg Kunst.
n-C₅₀H₁₀₂	n-Pentacontan		15 mmHg Kunst.
n-C₆₀H₁₂₂	n-Hexacontan
n-C₇₀H₁₄₂	n-Heptacontan
n-C₁₀₀H₂₀₂

Abschluss

Der Artikel untersuchte ein Konzept wie Alkane (Struktur, Nomenklatur, Isomerie, homologe Reihen usw.). Es wird ein wenig über die Merkmale radialer und substitutiver Nomenklaturen gesagt. Methoden zur Gewinnung von Alkanen werden beschrieben.

Darüber hinaus listet der Artikel detailliert die gesamte Nomenklatur der Alkane auf (der Test kann Ihnen helfen, die erhaltenen Informationen zu verarbeiten).

Physikalische Eigenschaften von Alkanen

Unter normalen Bedingungen sind die ersten vier Mitglieder der homologen Alkanreihe (C 1 - C 4) Gase. Normale Alkane von Pentan bis Heptadecan (C 5 - C 17) sind Flüssigkeiten, ab C 18 sind sie Feststoffe. Mit zunehmender Zahl der Kohlenstoffatome in der Kette, d.h. Mit zunehmendem relativen Molekulargewicht steigen die Siede- und Schmelzpunkte von Alkanen.

Bei gleicher Anzahl an Kohlenstoffatomen im Molekül haben verzweigte Alkane niedrigere Siedepunkte als normale Alkane.

Alkane sind in Wasser praktisch unlöslich, weil Ihre Moleküle sind niedrigpolar und interagieren nicht mit Wassermolekülen. Flüssige Alkane vermischen sich leicht miteinander. Sie lösen sich gut in unpolaren organischen Lösungsmitteln wie Benzol, Tetrachlorkohlenstoff usw.

Struktur

Das Molekül des einfachsten Alkans – Methan – hat die Form eines regelmäßigen Tetraeders, in dessen Mitte sich ein Kohlenstoffatom und an den Spitzen Wasserstoffatome befinden. Die Winkel zwischen den Achsen der C-H-Bindungen betragen 109°28" (Abb. 29).

In Molekülen anderer gesättigter Kohlenwasserstoffe haben die Winkel zwischen Bindungen (sowohl C-H als auch C-C) die gleiche Bedeutung. Zur Beschreibung wird die Form von Molekülen verwendet Konzept der Hybridisierung von Atomorbitalen(siehe Teil I, §6).

In Alkanen befinden sich alle Kohlenstoffatome im Zustand sp 3 - Hybridisierung (Abb. 30).

Somit liegen die Kohlenstoffatome in der Kohlenstoffkette nicht in einer geraden Linie. Der Abstand zwischen benachbarten Kohlenstoffatomen (zwischen den Atomkernen) ist streng festgelegt – das ist chemische Bindungslänge(0,154 nm). Abstand C 1 - C 3, C 2 - C 4 usw. (durch ein Atom) sind auch konstant, weil der Winkel zwischen den Bindungen ist konstant - Bindungswinkel.

Durch die Rotation um S-Bindungen können sich die Abstände zwischen weiter entfernten Kohlenstoffatomen (innerhalb gewisser Grenzen) ändern. Diese Rotation stört nicht die Überlappung der Orbitale, die die S-Bindung bilden, da diese Bindung axialsymmetrisch ist.

Man bezeichnet verschiedene räumliche Formen eines Moleküls, die durch die Rotation von Atomgruppen um S-Bindungen entstehen Konformationen(Abb. 31).

Konformationen unterscheiden sich in der Energie, aber dieser Unterschied ist gering (12–15 kJ/mol). Stabiler sind Konformationen von Alkanen, bei denen die Atome möglichst weit auseinander liegen (Abstoßung der Elektronenhüllen). Der Übergang von einer Konformation in eine andere erfolgt aufgrund der Energie der thermischen Bewegung. Zur Darstellung der Konformation werden spezielle Raumformeln (Newman-Formeln) verwendet.

Seien Sie nicht verwirrt!

Es ist zwischen den Begriffen Konformation und Konfiguration zu unterscheiden.

Verschiedene Konformationen können sich ineinander umwandeln, ohne chemische Bindungen aufzubrechen. Um ein Molekül mit einer Konfiguration in ein Molekül mit einer anderen Konfiguration umzuwandeln, müssen chemische Bindungen aufgebrochen werden.

Von vier Arten Isomerie Alkane sind durch zwei Merkmale gekennzeichnet: Isomerie des Kohlenstoffgerüsts und optische Isomerie (siehe Teil

Chemische Bindungen in Alkanen, ihr Aufbrechen und ihre Bildung bestimmen die chemischen Eigenschaften von Alkanen. C-C- und C-H-Bindungen sind kovalent, einfach (s-Bindungen), praktisch unpolar, ziemlich stark, daher:

1) Alkane gehen am häufigsten Reaktionen ein, die eine hämolytische Spaltung von Bindungen beinhalten;

2) Im Vergleich zu organischen Verbindungen anderer Klassen weisen Alkane eine geringe Reaktivität auf (dafür werden sie genannt). Paraffine- „ohne Eigenschaften“). Somit sind Alkane auch im gekochten Zustand beständig gegen die Einwirkung wässriger Lösungen von Säuren, Laugen und Oxidationsmitteln (z. B. Kaliumpermanganat).

Alkane reagieren nicht mit der Zugabe anderer Moleküle, weil Alkane haben in ihren Molekülen keine Mehrfachbindungen.

Alkane zersetzen sich bei starkem Erhitzen in Gegenwart von Katalysatoren in Form von Platin oder Nickel, wobei Wasserstoff aus den Alkanen abgespalten wird.

Alkane können Isomerisierungsreaktionen eingehen. Ihre typische Reaktion ist Substitutionsreaktion, durch einen radikalen Mechanismus voranschreiten.

Chemische Eigenschaften

Radikale Verdrängungsreaktionen

Betrachten Sie als Beispiel Wechselwirkung von Alkanen mit Halogenen. Fluor reagiert sehr energisch (meist mit einer Explosion) – dabei werden alle C-H- und C-C-Bindungen aufgebrochen und es entstehen CF 4- und HF-Verbindungen. Die Reaktion hat keine praktische Bedeutung. Jod interagiert nicht mit Alkanen. Reaktionen mit Chlor oder Brom erfolgen entweder bei Licht oder bei starker Hitze; Dabei kommt es zur Bildung von ein- bis mehrfachhalogensubstituierten Alkanen, zum Beispiel:

CH 3 -CH 3 +Cl 2 ® hv CH 3 -CH 2 -Cl+HCl

Die Bildung von Methanhalogenderivaten erfolgt über eine Kette freie Radikale Mechanismus. Unter Lichteinfluss zerfallen Chlormoleküle in anorganische Radikale:

Anorganisches Radikal Cl. entzieht einem Methanmolekül ein Wasserstoffatom mit einem Elektron und bildet dabei HC1 und das freie Radikal CH3

Das freie Radikal interagiert mit dem Chlormolekül Cl 2 und bildet ein Halogenderivat und ein Chlorradikal.

Die Oxidationsreaktion beginnt mit der Abstraktion eines Wasserstoffatoms durch ein Sauerstoffmolekül (das ein Diradikal ist) und verläuft dann als verzweigte Kettenreaktion. Während der Reaktion nimmt die Zahl der Radikale zu. Der Prozess wird begleitet

Durch die Freisetzung großer Wärmemengen werden nicht nur die C-H-Bindungen, sondern auch die C-C-Bindungen aufgebrochen, sodass in der Folge Kohlenmonoxid (IV) und Wasser entstehen. Die Reaktion kann als Verbrennung ablaufen oder zu einer Explosion führen.

2С n Н2 n+2 +(3n+1)О 2 ®2nСО 2 +(2n+2)Н 2 O

Bei normalen Temperaturen findet die Oxidationsreaktion nicht statt; Sie kann entweder durch Zündung oder durch elektrische Entladung ausgelöst werden.

Bei starker Erhitzung (über 1000°C) zerfallen Alkane vollständig in Kohlenstoff und Wasserstoff. Diese Reaktion wird aufgerufen Pyrolyse.

CH 4 ® 1200° C+2H 2

Durch milde Oxidation von Alkanen, insbesondere Methan, mit Luftsauerstoff in Gegenwart verschiedener Katalysatoren können Methylalkohol, Formaldehyd und Ameisensäure gewonnen werden.

Wird Methan sehr schnell durch eine beheizte Zone geleitet und anschließend sofort mit Wasser abgekühlt, entsteht Acetylen.

Diese Reaktion ist die Grundlage einer sogenannten industriellen Synthese knacken(unvollständige Zersetzung) von Methan.

Das Cracken von Methanhomologen erfolgt bei einer niedrigeren Temperatur (ca. 600 °C). Beispielsweise umfasst das Cracken von Propan die folgenden Schritte:

Das Cracken von Alkanen führt also zur Bildung einer Mischung aus Alkanen und Alkenen mit niedrigerem Molekulargewicht.

Das Erhitzen von Alkanen auf 300–350 °C (das Cracken hat noch nicht stattgefunden) in Gegenwart eines Katalysators (Pt oder Ni) führt dazu Dehydrierung- Entfernung von Wasserstoff.

Wenn verdünnte Salpetersäure bei 140 °C und niedrigem Druck auf Alkane einwirkt, kommt es zu einer Radikalreaktion:

CH 3 -CH 3 + HNO 3 ®CH 3 -CH 2 -NO 2 + H 2 O Isomerisierung

Unter bestimmten Bedingungen können sich normale Alkane in verzweigtkettige Alkane umwandeln.

Herstellung von Alkanen

Betrachten wir die Produktion von Alkanen am Beispiel der Methanproduktion. Methan ist in der Natur weit verbreitet. Es ist der Hauptbestandteil vieler brennbarer Gase, sowohl natürlicher (90-98 %) als auch künstlicher, die bei der Trockendestillation von Holz, Torf, Kohle sowie beim Cracken von Öl freigesetzt werden. Erdgase, insbesondere Begleitgase aus Ölfeldern, enthalten neben Methan auch Ethan, Propan, Butan und Pentan.

Methan wird vom Boden von Sümpfen und aus Kohleflözen in Bergwerken freigesetzt, wo es bei der langsamen Zersetzung von Pflanzenresten ohne Zugang zu Luft entsteht. Daher wird Methan oft als Sumpfgas oder Schlagwetter bezeichnet.

Im Labor wird Methan durch Erhitzen einer Mischung aus Natriumacetat und Natriumhydroxid hergestellt:

CH 3 COONa+NaOH® 200 ° Na 2 CO 3 +CH 4

oder wenn Aluminiumcarbid mit Wasser interagiert: Al 4 Cl 3 +12H 2 O®4Al(OH) 3 +3CH 4

Im letzteren Fall erweist sich das Methan als sehr rein.

Methan kann aus einfachen Stoffen durch Erhitzen in Gegenwart eines Katalysators hergestellt werden:

C+2H 2 ® Ni CH 4 8 auch durch Synthese auf Basis von Wassergas

CO+3H 2 ® Ni CH 4 +H 2 O

Diese Methode ist von industrieller Bedeutung. Üblicherweise wird jedoch Methan aus Erdgasen oder Gasen verwendet, die bei der Verkokung von Kohle und bei der Erdölraffinierung entstehen.

Homologe von Methan werden wie Methan unter Laborbedingungen durch Kalzinierung von Salzen der entsprechenden organischen Säuren mit Alkalien erhalten. Eine andere Methode ist die Wurtz-Reaktion, d.h. Erhitzen von Monohalogenderivaten mit Natriummetall, zum Beispiel:

C 2 H 5 Br+2Na+BrC 2 H 6 ® C 2 H 5 -C 2 H 5 +2NaBr

In der Technik wird durch Synthese technisches Benzin (ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen mit 6–10 Kohlenstoffatomen) hergestellt.

aus Kohlenmonoxid (II) und Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators (Kobaltverbindung) und bei erhöhtem Druck. Verfahren

kann durch die Gleichung ausgedrückt werden

nСО+(2n+1)Н 2 ® 200° C n H 2n+2 +nН 2 O

Die Hauptquellen für Alkane sind also Erdgas und Erdöl. Einige gesättigte Kohlenwasserstoffe werden jedoch aus anderen Verbindungen synthetisiert.

Anwendungen von Alkanen

Die meisten Alkane werden als Kraftstoff verwendet. Knacken und

Ihre Dehydrierung führt zu ungesättigten Kohlenwasserstoffen, die

aus dem viele andere organische Stoffe gewonnen werden.

Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgasen (60-99 %). Teil

Zu den Erdgasen gehören Propan und Butan. Flüssige Kohlenwasserstoffe

Wird als Kraftstoff in Verbrennungsmotoren, Autos, Flugzeugen usw. verwendet. Eine gereinigte Flüssigkeitsmischung

und feste Alkane bilden Vaseline. Höhere Alkane sind

Ausgangsstoffe für die Herstellung synthetischer Waschmittel. Durch Isomerisierung gewonnene Alkane werden zur Herstellung von hochwertigem Benzin und Gummi verwendet. Nachfolgend finden Sie ein Diagramm zur Verwendung von Methan

Cycloalkane

Struktur

Cycloalkane sind gesättigte Kohlenwasserstoffe, deren Moleküle einen geschlossenen Ring aus Kohlenstoffatomen enthalten.

Cycloalkane (Cycloparaffine) bilden eine homologe Reihe mit der allgemeinen Formel C n H 2 n, in der das erste Mitglied ist

Cyclopropan C 3 H 6, weil Um einen Ring zu bilden, müssen mindestens drei Kohlenstoffatome vorhanden sein.

Cycloalkane haben mehrere Namen: Cycloparaffine, Naphthene, Cyclane, Polymethylene. Beispiele einiger Verbindungen:

Die Formel C n H 2 n ist charakteristisch für Cycloparaffine, und genau dieselbe Formel beschreibt die homologe Reihe von Alkenen (ungesättigte Kohlenwasserstoffe mit einer Mehrfachbindung). Daraus können wir schließen, dass jedes Cycloalkan mit einem entsprechenden Alken isomer ist – dies ist ein Beispiel für „Interklassen“-Isomerie.

Cycloalkane werden basierend auf der Ringgröße in eine Reihe von Gruppen eingeteilt, von denen wir zwei betrachten: kleine (C 3, C 4) und gewöhnliche (C 5 -C 7) Zyklen.

Die Namen von Cycloalkanen werden gebildet, indem dem Namen des Alkans mit der entsprechenden Anzahl an Kohlenstoffatomen das Präfix cyclo- hinzugefügt wird. Die Nummerierung im Zyklus erfolgt so, dass die Substituenten die niedrigsten Nummern erhalten.

Strukturformeln von Cycloalkanen werden üblicherweise in abgekürzter Form geschrieben, wobei die geometrische Form des Rings verwendet und die Symbole für die Kohlenstoff- und Wasserstoffatome weggelassen werden. Zum Beispiel:

Die Strukturisomerie von Cycloalkanen wird durch die Größe des Rings (Cyclobutan und Methylcyclopropan sind Isomere) und die Position der Substituenten im Ring (z. B. 1,1- und 1,2-Dimethylbutan) sowie deren Struktur bestimmt .

Auch die räumliche Isomerie ist charakteristisch für Cycloalkane, weil es ist mit unterschiedlichen Anordnungen der Substituenten relativ zur Ringebene verbunden. Wenn Substituenten auf einer Seite der Ringebene platziert werden, werden cis-Isomere und auf gegenüberliegenden Seiten trans-Isomere erhalten.